[发明专利]无裂纹光子晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用旋涂、喷涂或喷墨打印制备高性能、无裂纹光子晶体的超快速制备方法，特别涉及无裂纹复合蛋白石结构光子晶体、无裂纹反蛋白石结构光子晶体、无裂纹且图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体，以及无裂纹且图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体的超快速制备方法。

背景技术

光子晶体自1987年问世以来，由于其特殊的光调控性能，在光学、电子学，化学、生物化学等领域有着广泛的应用前景。利用化学自组装方法制备光子晶体具有成本低、操作简单等优点，从而吸引了科研工作者的研究兴趣。但是，在用化学自组装方法制备光子晶体的过程中，胶体微球子会在最后干燥过程中收缩，而胶体微球子与基材之间的粘滞力又防止其收缩，因此所产生的拉伸应力会造成所制备的光子晶体膜中存在严重的裂纹。这些不可避免的裂纹的产生限制了光子晶体在实际中的应用。为了解决此问题，科学家们已经开展了一定的前期工作，如通过采用模板辅助自组装(C.J.Jin，N.P.Johnson，Nano Lett.2005，5，2646-2650)、在自组装前将胶体微球高温预收缩(D.J.Norris，Appl.Phys.Lett.2004，84，3573-3575)及避免干燥(T.Sawada，Adv.Funct.Mater.2005，25；T.Sawada，Langmuir 2009，13315)等方法完全防止胶体微球收缩来避免裂纹的产生；或通过采用在液体表面自组装(Zentel R.，Chem.Mater.2002，14，4023-402)、特殊物质诱导的向低堆积密度晶面转变(B.Hatton，L.Mishchenko，S.Davis，K.H.Sandhage，J.Aizenberg，PNAS，107，23，10355)及在柔性基材上共组装聚合(CN：201010299208.x)的方法使胶体微球各向同性收缩，来避免了光子晶体在制备过程中导致裂纹产生的问题。另一方面，传统的化学自组装制备光子晶体的方法，如重力沉积、竖直沉积，往往消耗数小时，甚至数天的时间，也不利于光子晶体的实际应用。为了解决光子晶体制备过程耗时过长的问题，科学家们发展了在数分钟内制备大面积光子晶体的方法，如旋涂(P.Jiang，J.Am.Chem.Soc.2004，126，13778)、喷涂(L.Y.Cui，Macromol.Rapid Commun.2009，30，598-603)及喷墨打印(L.Y.Cui，J.Mater.Chem.2009，19，5499-5502)等。但超快速制备高质量、无裂纹光子晶体的方法还未见报道。本发明的方法速度超快、成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好，对推动光子晶体的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快速、成本低廉、操作简单、绿色环保、普适性好的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体、无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体、无裂纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体，以及无裂纹且大面积图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体的超快速制备方法。

本发明的无裂纹光子晶体的制备方法是：采用旋涂、喷涂或喷墨打印(与计算机相结合，可以在计算机中设计图案)的方法，将单分散乳胶粒、水溶性聚合物单体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液均匀涂覆或打印到亲水柔性基材表面，然后在温度为50～85℃、相对湿度为50％～85％的条件下，使得上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面，同时在上述温度和湿度条件下热引发混合物乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，在上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面的同时，得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹光子晶体。

所述的无裂纹光子晶体是无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体或无裂纹且大面积图案化(具有计算机设计的图案)的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体。

上述方法是利用填隙聚合物来减少单分散乳胶粒的收缩，由此减少干燥过程中产生的拉伸应力，而残余的拉伸应力又进一步通过亲水柔性基材的形变释放出去，从而得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中均匀充分填充有聚合物的无裂纹光子晶体。上述方法不但可以在数分钟内实现无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体及无裂纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体的制备，而且进一步用合适的溶剂溶解掉所述的复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散乳胶粒后，便可以得到无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体及无裂纹且大面积图案化(具有计算机设计的图案)的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体。